СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНЫХ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ ПРИ СТАТИЧЕСКОЙ НАГРУЗКЕ

Исследования показали [114], что в силу неоднородности металла зоны сварного шва и концентрации определенно ориенти­рованных сварочных напряжений в этой зоне, деформируемость и несущая способность сварного соединения при растяжении и изгибе зависят от ориентировки направления внешней силы по отношению к шву. Это подтверждается результатами опытов и других авторов. Например, в работе [95] приведены результаты испытания на растяжение полосы исходного материала (рис. 51, а) и таких же полос с поперечными валиками, наложен­ными в соответствии со схемой (рис. 51, б). В силу местного упроч­нения основного металла в зоне каждого из этих валиков, а также концентрации напряжений в этих зонах, пластические де­формации образца с валиками могли происходить лишь за счет более пластичного основного металла между валиками, что при­вело к разрушению путем образования нескольких зон местных пластических деформаций (шеек) в пределах рабочей длины об­разца (рис. 51, в) и к тому, что при растяжении образцов дефор­мации были в сварных образцах значительно больше, чем в образ­цах без наплавленных валиков. Этот результат не может быть обобщен на другие случаи взаимного расположения швов и их
ориентировки по отношению к направлению действия внешней силы. В работе [83] приведены результаты испытания образцов исходного металла, с поперечным, продольным и пересекаю­щимися швами, которые приведены на рис. 52, где диаграммы растяжения образцов: 1 — без шва; 2 — с поперечным швом;

3 — с продольным швом; 4 — с пересекающимися швами по­казывают, что если работоспо­собность определяется величи­ной работы, затраченной на разрушение, то работоспособ­ность на растяжение образцов с продольными и крестовыми швами в два раза меньше работо­способности исходных металлов.

В образцах с поперечными швами в зависимости от свойств наплавленного и исходного металлов, а также металла зоны термического влияния при усло­вии, когда общая ширина напряженной зоны термического влия­ния вместе со швом составляет лишь небольшую долю рабочей длины образца [116], наличие шва может оказать или не оказать влияния на их работоспособность. В сварных соединениях в

б, к Г/ммг

80

60

00

го

большей или меньшей мере, но всегда существуют как конструк­тивные концентраторы напряжений, так и разного рода дефекты в швах, также являющиеся концентраторами напряжений. Нало­жение концентраций сварочных напряжений и концентрации напряжений от внешних сил, обусловленной резкими изменениями формы и наличием дефектов в неоднородном по структуре металле зоны шва, может привести, особенно при пониженных температурах или облучении, к резкому снижению статической прочности сварного соединения, т. е. к его хрупкому разрушению. Это убедительно было показано опытами В. В. Шеверницкого
[131J. В его работе были проведены четыре серии опытов и были получены следующие результаты.

Первая серия. В средней части полоски из стали М16С (рис. 53), пластичной в нормальных условиях, просверлено отверстие, и в

нем сделано два симметричных надреза с радиусом закругления

Рис. 53

0,05 мм. В двух образцах для создания остаточных напряже­ний у надрезов на точечной контактной машине был произведен нагрев до 500е С. Опыты проводились при температуре минус 60° С. Результаты опытов приведены в табл. 18.

Как видно из таблицы, наличие остаточных напряжений и упру­го-пластических деформаций резко снижает временное сопро­тивление.

Вторая серия. Образец (рис. 54) с ребром, состо­ящим из двух частей, между торцами которых узкая щель. В результате приварки ребер в образце появляются в основном продольные сварочные на­пряжения и упруго-пла­стические деформации. Результаты испытаний, проведенных при темпера­туре минус 60' С, приве­дены в табл. 19.

Образцы, имевшие остаточные напряжения, показали резкое падение прочности. Опыты были повторены на таких же образцах, но первая группа сваривалась автоматом под флюсом, а вторая — вручную электродами УОНИИ 13/45. В первом случае резкое падение статической прочности имело место при температуре минус 50° С и ниже, а во втором случае при —10° С и ниже.

Третья серия. Образец со стыковым швом, имеющим непровар, выходящий наружу (рис. 55). Со стороны противоположной не - провару наплавлялся в канавку продольный валик. Результаты испытаний при температуре минус 60° С приведены в табл. 20.

Пятая серия [133]. Испытывались на растяжение при раз­личных пониженных температурах полосы из стали М16С с есте­ственными трещинами без начальных напряжений. Испыты­вались на изгиб при температуре минус 60° С после высокого отпуска сварные двутавры той же стали с составным продольным ребром, приваренным к нижней полке так, что между смежными частями составного ребра оставалась узкая щель. В том и в другом случае номинальное разрушающее напряжение оказалось не ниже предела текучести этой стали при нормальной температуре. Отсюда следует, что при отсутствии начальных напряжений и при одно­родности структуры в зоне концентраторов эти концентраторы не снижают номинальной прочности ниже предела текучести малоуглеродистой стали.

Таким образом, результаты опытов [131, 135] убедительно показывают, что сварочные напряжения в сочетании с неоднород­ностью металла зоны шва могут резко снижать статическую проч­ность сварного соединения при наличии резкого концентратора напряжений, расположенного поперек максимальных растяги­вающих рабочих и сварочных напряжений при достаточно низкой температуре, при которой данный металл в зоне концентратора напряжений переходит в хрупкое состояние. Аналогичные ре­зультаты и выводы получены в работах [24, 39, 54, 107, 111, 134—136, 147]. К таким же выводам приводит обзор работ [147].

В опытах [131 ] поле сварочных напряжений было плоским или близким к плоскому. Вместе с тем есть работы [31, 53], из кото­рых можно заключить, что линейное и плоское поля остаточных напряжений не влияют на склонность стали к хрупкому разруше­нию. Это противоречие, по-видимому, объясняется различием в полях начальных напряжений, концентраторов и различием в свойствах и состояниях испытываемых сталей.

Заслуживает внимания и вторая часть работы [131], где полу­чены кривые разрушающих напряжений для некоторых сталей в зависимости от температуры. В этой части испытывались образцы типа образцов, приведенных на рис. 54, каждый из которых охла­ждался до определенной температуры и нагружался на растяжение. При определенной нагрузке образцу сообщался незначительный внешний импульс — наносился удар слесарным молотком со стороны, противоположной стыку ребер. Во всех случаях удар молотком вызывал трещину, начинавшуюся от щели ребра и иду­щую в основной металл. При больших нагрузках трещина с боль­шой скоростью пересекала все сечение образца, а при меньших нагрузках она останавливалась.

Аналогичные сведения получены в работах [142, 145]. Опыты [131 ] проведены в интервале температур —60 ^ Т ^ 0° С и они дают возможность установить минимальные значения нагрузки, при которых трещина пересекает всю ширину образца. Резуль­таты опытов приведены на рис. 56, где 1 — сталь HJ1-2; 2 — М16С; 3 — Ст. З (кипящая); 4—Ст. З. Эти кривые в определенной

мере характеризуют сопротивление указанных сталей хрупкому разрушению и указывают на возможность отбора металла с более высоким сопротивлением хрупкому разрушению при данном напряженном состоянии от сварки и заданном концентраторе. Но, как известно из фундаментальных исследований Н. Н. Давиден- кова и его учеников, к хрупкому разрушению хладноломких ме­таллов может привести не только понижение температуры, но и увеличение скорости деформации. Для этих металлов, как впер­вые установил Н. Н. Давиденков, существует зависимость между критической скоростью деформации vK и темпе­ратурой

_ _®_

= 7', (9.1)

где А и В — постоянные.

Приведенный выше обзор исследований хруп­кого разрушения сварных конструкций под дей­ствием статической на­грузки достаточно убеди­тельно показывает влия­ние начальных сварочных напряжений на статическую прочность сварного соединения. Эти результаты объясняют причины самопроизвольных разрушений готовых сварных конструкций до начала их эксплуатации [29, 107] или после кратковременной эксплуатации [133]. Как уже было указано ранее, сварочные напряжения неотделимы от крае­вых условий (связей), наложенных на границы свариваемых эле­ментов, так что невозможно изолировать собственно сварочные напряжения от так называемых реактивных напряжений, обуслов­ленных краевыми условиями. Поля этих напряжений могут быть чисто линейными лишь в исключительных случаях. В основ­ном эти поля плоские или пространственные. Вместе с тем в зонах сварных швов сварных конструкций всегда имеет место достаточно высокая концентрация сварочных напряжений с резкими гра­диентами в сочетании со структурной неоднородностью металла этой зоны. Эти сварочные напряжения оказывают существенное влияние на статическую прочность сварной конструкции при сле­дующих дополнительных условиях:

’ а) наличие концентраторов напряжений в зоне шва;

б) неблагоприятное расположение концентраторов напряже­ний по отношению к ориентировке наибольших растягивающих сварочных и рабочих напряжений;

в) пониженная температура, агрессивная среда или облу­чение;

г) высокие скорости деформации.

В зависимости от этих условий местные трещины могут по­явиться до полной сборки или после сборки конструкции до приложения внешних сил [29, 107]. Они могут появиться через некоторое время после сборки конструкций от незначительного силового импульса [131, 133] или после приложения малой доли расчетной внешней нагрузки. В последнем случае вместе с воз­растанием внешней нагрузки развитие трещины может привести к полному разрушению конструкции. Проблема возникновения трещины в процессе неоднородной упругой и упруго-пластической деформации не разработана. В ряде работ [10] рассмотрен вопрос развития уже возникшей трещины при частных случаях силового воздействия. Из изложенного следует, что для уменьшения опас­ности хрупкого разрушения сварной конструкции при статиче­ской нагрузке должны быть разработаны комплексы мероприятий в следующих двух направлениях.

1. Мероприятия, направленные на исключение или уменьше­ние и выравнивание сварочных напряжений в сварных конструк­циях. К ним относятся следующие мероприятия.

Сварка после предварительного равномерного или неравномер­ного нагрева, не сопровождающегося пластическими деформаци­ями, при условии, когда это начальное температурное поле под­держивается неизменным до окончания сварки. Этот метод, как показано в гл. 6, является эффективным, но имеет ограниченное применение, он может быть использован в серийном производ­стве однотипных узлов.

Технологические мероприятия, к которым относятся целесо­образное сочетание физико-механических свойств основного ме­талла и металла электрода, сварка под целенаправленной актив­ной нагрузкой, предварительное нагружение сварного соедине­ния, проковка, обкатка, различные виды термической обработки. Эти мероприятия подробно изложены в работах [18, 52].

2. Мероприятия, направленные на уменьшение влияния сва­рочных напряжений на величину разрушающей нагрузки. Как было показано, сварочные напряжения существенно снижают статическую прочность сварной конструкции при пониженной тем­пературе при наличии концентраторов напряжений, расположен­ных неблагоприятно по отношению к ориентировке наибольших растягивающих сварочных и рабочих напряжений. Концентраторы напряжений могут быть чисто конструктивными, т. е. обусловлен­ными резкими изменениями формы и размеров сечений сварного соединения. Задача проектировщика заключается в том, чтобы исключить такие опасные конструктивные формы [46, 99, 133]. Концентраторами напряжений являются также разного рода микро - и макродефекты в сварных швах, которые могут оказаться очагами развития трещины. Здесь необходимо улучшение техно­логии сварки и контроля качества сварного шва. Что же касается
влияния температуры, при которой эксплуатируется сварная кон­струкция, то здесь необходимо идти по пути применения стали, не переходящей в хрупкое состояние при заданной температуре и данном напряженном состоянии [12, 39, 100, 131, 133, 134].